機(jī)器人在視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)方面已經(jīng)處在不斷進(jìn)化的階段，但是對(duì)于觸覺(jué)、嗅覺(jué)和味覺(jué)，它們幾乎“一無(wú)所知”。如果之后要和機(jī)器人做朋友，我們當(dāng)然不希望在和它們握手或者擁抱的時(shí)候被擠壓骨折。

 

　　聰明的機(jī)器人需要觸覺(jué)。

 

　　人類皮膚能感知觸覺(jué)、痛覺(jué)、熱覺(jué)等多種感覺(jué)，其中觸覺(jué)感知最為重要。人的觸覺(jué)主要通過(guò)分布在皮膚不同深度的四種觸覺(jué)感受器來(lái)感知，但要實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)、穩(wěn)定抓取、拉伸、切向力和運(yùn)動(dòng)方向等等感覺(jué)功能，對(duì)機(jī)器而言極為復(fù)雜。

 

　?。▓D源：liu.se）

 

　　幾十年來(lái)，機(jī)器人專家一直在思考如何讓機(jī)器有感覺(jué)，也就是觸覺(jué)傳感。目前最基本的方法是使用換能器將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

 

　　根據(jù)傳感器本身的軟、硬包覆層和覆蓋應(yīng)用范圍，觸覺(jué)傳感器通常分為三類，近年來(lái)國(guó)際上重點(diǎn)研究的是其中的柔性皮膚、電子皮膚觸覺(jué)傳感器。盡管在兩年前誕生了世界首條柔性人造觸覺(jué)神經(jīng)，但人造皮膚依舊進(jìn)展緩慢。

 

　　哥倫比亞大學(xué)機(jī)械工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系副教授MateiCiocarlie說(shuō)：“一直以來(lái)很難跨越的鴻溝是，制造觸摸傳感器和制造手指是有區(qū)別的。”

 

　　于是Ciocarlie和電氣工程教授Ioannis(John)Kymissis想出一種“新奇”的思路——“光指”，研究團(tuán)隊(duì)稱“他們的手指可以在一個(gè)很大的、多曲線的表面上以極高的精度（<1毫米）來(lái)定位觸摸，這與人類的手指非常相似。”

 

　　這項(xiàng)研究發(fā)表在國(guó)際知名刊物《IEEE/ASME機(jī)電一體化會(huì)刊》。

 

　?。▓D源：哥倫比亞大學(xué)）

 

　　通俗來(lái)說(shuō)，這個(gè)手指不是通過(guò)觸覺(jué)神經(jīng)來(lái)感受，而是通過(guò)“看”自己手上的光亮程度來(lái)判斷力的大小。

 

　　這種光指是由3D打印機(jī)做出的骨架，骨架上嵌入了32個(gè)光電二極管和30個(gè)相鄰的LED，為了使這些亮光“僅機(jī)器人自己可見(jiàn)”，手指外表用柔軟的反光硅膠皮膚覆蓋。

 

　　當(dāng)機(jī)器人手指觸摸物體時(shí)，外部會(huì)變形，并且骨架上的光電二極管會(huì)檢測(cè)到發(fā)光二極管發(fā)出的光的變化。由此，系統(tǒng)就可以確認(rèn)手指什么地方在摸東西，以及用了多大的力。所以，機(jī)器人不會(huì)感覺(jué)到觸覺(jué)，而是會(huì)“看到”觸覺(jué)。

 

　　（來(lái)源：哥倫比亞大學(xué)）

 

　　此前，一家名為SynTouch的公司研發(fā)出一種“鹽水手指”，手指內(nèi)部是19個(gè)超靈敏電極，電極和硅外皮之間注入了鹽水。當(dāng)接觸東西時(shí)，電極會(huì)通過(guò)鹽水檢測(cè)電阻的變化，從而知道觸摸的位置和強(qiáng)度。

 

　　哥倫比亞大學(xué)的“光指”原理其實(shí)和“鹽水手指”很相近，只不過(guò)把電極和鹽水換成了LED燈和光電二極管。最大的不同在于，“光指”融入了AI機(jī)器學(xué)習(xí)算法，分析處理更精確，同時(shí)還具備自我校準(zhǔn)和不斷學(xué)習(xí)的能力。

 

　　如果戳一下這個(gè)“光指”，所有的廣電二極管都會(huì)“動(dòng)起來(lái)”，靠近被戳地方的光電二極管反饋更大，遠(yuǎn)的地方反饋較小。整個(gè)系統(tǒng)能非常詳細(xì)地獲取所有信息。也就是說(shuō)，你戳一下“光指”，手指內(nèi)部需要處理32個(gè)光電二極管和30個(gè)LED發(fā)出的960個(gè)信號(hào)。另外，由于光可以在彎曲的空間中反彈，這些信號(hào)可以覆蓋復(fù)雜的三維形狀，比如指尖。

 

　　“我們的結(jié)果表明，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以非常高精度地提取此信息，”Kymissis說(shuō)，“我們的設(shè)備從一開(kāi)始就是真正設(shè)計(jì)成可與AI算法結(jié)合使用的觸覺(jué)手指。”

 

　　“人的手指提供了令人難以置信的豐富的聯(lián)系信息——在每平方厘米的皮膚中有超過(guò)400個(gè)微小的觸摸傳感器！”Ciocarlie說(shuō)。“這個(gè)模型促使我們嘗試從手指上獲取盡可能多的數(shù)據(jù)。確保手指四周的所有接觸都被覆蓋是至關(guān)重要的——我們基本上建造了一個(gè)沒(méi)有盲點(diǎn)的觸覺(jué)機(jī)器人手指。”

 

　　其實(shí)，相比于其他剛性換能器，“光指”還有另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)，即不需要外接太多線纜和其他電子設(shè)備。該團(tuán)隊(duì)表示，把這樣一根“光指”連接到手上只需要一條14線電纜。

 

　　圖|“光指”，為了顯示內(nèi)部構(gòu)造，此處沒(méi)有包覆外層“硅皮膚”（來(lái)源：哥倫比亞大學(xué)）

 

　　接下來(lái)，研究人員打算進(jìn)一步用集成了“光指”的手來(lái)嘗試證明其靈巧的操作能力。

 

　　就像是女生下班回家路上從亂七八糟的包里翻找口紅一樣，光線不足的時(shí)候只能靠摸形狀來(lái)判斷，機(jī)器人也可以學(xué)會(huì)在視覺(jué)和觸覺(jué)之間來(lái)回切換。

 

　　此項(xiàng)研究真正吸引人的地方在于，當(dāng)其他工程師執(zhí)著于讓機(jī)器人從生物神經(jīng)上模仿人類時(shí)，他們嘗試用一種“非人類”的方式混合了視覺(jué)和觸覺(jué)輸入。盡管這根“光指”目前還不能感受到溫度、粗糙或者柔軟，但是研究人員似乎正在尋找另一個(gè)解決方案——聽(tīng)出粗糙感和柔軟感。